激光相变硬化最大硬化层深的研究

摘要

激光相变硬化是一个温度场瞬态变化过程，激光相变硬化层具有细化和稳定压应力等优良性能，使得在相等强度条件下，激光相变硬化层深可以低于常规热处理得到的硬化层深。尽管如此，在实际应用过程中，人们往往对激光相变硬化层深有特别的要求，希望得到更深的激光相变硬化层深，因此本文对激光相变硬化最大硬化层深做了进一步的研究。 本文根据激光相变硬化的基本原理，针对矩形样块的物理模型，以材料为45°钢来设定热物性参数，利用ANSYS进行了激光相变硬化的三维温度场模拟。通过精确的三维建模、加载求解、后处理等过程，将激光相变硬化的三维温度场直观的表现出来，并且准确得出样块节点的温度，有效计算出样块各截面的激光相变硬化层深，为研究激光相变硬化最大硬化层深参数提供了有效的解决途径。 在定光斑尺寸条件下，利用临界熔融状态下激光功率和激光扫描速度的关系曲线，取定关系曲线上的激光功率和激光扫描速度的匹配值以及匹配值附近的激光参数，将一系列激光参数结合ANSYS对激光相变硬化的温度场进行三维有限元模拟，给出激光相变硬化层深的参数。通过三维模拟得出的激光相变硬化温度场反应了不同时刻激光相变硬化温度场的真实分布情况。将ANSYS模拟得出的激光相变硬化层深与实验结果比较，证明利用有限元分析模拟的激光相变硬化层基本符合实际情况，并有效得出定光斑尺寸下激光相变硬化最大硬化层深的激光参数范围。 针对45°钢材料进行激光相变硬化的研究，得到了激光参数(激光功率和激光扫描速度)对激光相变硬化层深的影响，在层深一定的条件下给出最优化的激光参数，并得出45°钢材料在定光斑条件下激光相变硬化最大硬化层深的激光参数范围，研究了激光相变硬化对显微组织的影响，同时通过实验描述了激光表面涂层对于硬化层深的影响。 基于最大硬化层深问题，研究了临界熔融状态下，光斑尺寸对硬化层深产生的影响。通过研究表明宽带激光能够得到比一般窄带激光更深的激光相变硬化层深。对于不同带宽的宽带激光，带宽较小的能够得到更深的激光相变硬化层深。

目录

文摘

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第一章 绪论

1.1激光加工技术概述

1.1.1激光加工的特点

1.1.2激光加工的分类

1.1.3激光热处理概述

1.2激光相变硬化的发展概况

1.3本课题研究的主要内容

1.3.1研究的目的和意义

1.3.2本课题主要研究内容

第二章 激光相变硬化

2.1激光相变硬化的原理

2.2激光相变硬化的特点

2.3激光相变硬化工艺的影响因素

2.4激光相变硬化的材料强化机理和硬化层特性

2.4.1激光相变硬化的材料强化机理

2.4.2激光相变硬化层特性

2.5激光相变硬化的研究现状

2.5.1激光相变硬化国内研究现状

2.5.2激光相变硬化模拟在国内外的发展现状

2.6本章小结

第三章 激光相变硬化理论基础及ANSYS软件

3.1传热学的理论基础

3.1.1热传导

3.1.2热对流

3.1.3热辐射

3.2有限元方法的概述

3.3有限元分析软件ANSYS

3.3.1有限元分析软件ANSYS的简介

3.3.2有限元分析软件ANSYS的应用

3.4 ANSYS热分析简介

3.4.1 ANSYS热分析的目的

3.4.2 ANSYS热分析的类型

3.4.3 ANSYS热分析的基本特点

3.4.4 ANSYS热分析的主要步骤

3.5本章小结

第四章 激光相变硬化温度场的有限元模拟

4.1相变硬化层模拟模型及参数确定

4.1.1激光扫描温度场的热物理模型

4.1.2材料物理性能的参数

4.1.3相变潜热的处理

4.1.4相变硬化层的界定

4.1.5边界换热系数

4.2激光相变硬化三维瞬态温度场的有限元模拟

4.2.1激光相变硬化三维瞬态温度场的前处理

4.2.2激光相变硬化三维瞬态温度场的加载计算

4.2.3激光相变硬化三维瞬态温度场的后处理

4.3本章小结

第五章 激光相变硬化有限元模拟结果分析及实验

5.1激光相变硬化工艺参数取值范围的确定

5.2激光相变硬化模拟的参数选择

5.3相变硬化层模拟结果分析

5.3.1激光扫描速度确定下的相变硬化层深研究

5.3.2激光功率确定下的相变硬化层深研究

5.4激光相变硬化实验研究

5.4.1激光相变硬化实验设备

5.4.2实验样块材料

5.4.3实验样块材料相变硬化的预处理

5.4.4实验的激光参数选择

5.4.5激光处理工艺

5.4.6实验结果

5.5实验结果与理论分析

5.5.1 ANSYS模拟结果与实验结果比较分析

5.5.2相变硬化层深参数的确定

5.5.3样块激光相变硬化显微组织分析

5.6材料表面预处理方式对相变硬化层深的影响

5.7本章小结

第六章 宽带激光相变最大硬化层深的研究

6.1宽带激光扫描概述

6.2宽带激光扫描工艺参数取值范围的确定

6.3 ANSYS模拟结果及分析

6.4本章小结

第七章 全文总结与展望

7.1全文总结

7.2展望

致谢

参考文献